ОБОБЩАЮЩИЙ УРОК ПО ТЕМЕ «КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ» - УГЛЕВОДЫ

Цели урока. Повторить, обобщить и систематизировать знания по кислородсодержащим органическим соединениям, в том числе и на основе генетической связи между классами этого типа веществ. Подготовить к выполнению контрольной работы по теме.

I. Классификация кислородсодержащих органических соединений

В качестве домашнего задания при подготовке к уроку учащиеся повторили параграфы учебника, касающиеся строения, способов получения и химических свойств кислородсодержащих органических веществ. Этот раздел достаточно объемен, поэтому задача учителя и учащихся на данном уроке сводится не к простому повторению материала, а к его систематизации, нахождению общих черт и различий между кислородсодержащими функциональными группами, способов перехода от соединений одного класса к другому.

Начать обобщение материала следует с классификации рассматриваемых классов веществ. Учитель может воспользоваться плакатом или слайдом, примерный вид которого представлен на рисунке 39.

	Гидроксилсодержащие соединения		Карбонильные соединения		Карбоновые кислоты
Функциональная группа	-ОН
Классы веществ	Спирты	Фенолы	Альдегиды	Кетоны	Карбоновые кислоты
Особенности структуры					-
Классификация по числу функциональных групп
Классификация по типу углеводородного радикала
Общая формула

Рис. 39. Примерный вид плаката по классификации кислородсодержащих соединений

В органической химии существует три важнейших функциональных группы, включающих атомы кислорода: гидроксильная, карбонильная и карбоксильная. Последнюю можно рассматривать как сочетание двух предыдущих. В зависимости от того, с какими атомами или группами атомов связаны данные функциональные группы, кислородсодержащие вещества делятся на спирты, фенолы, альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты.

Ребята уже знают, что это не единственно возможный признак классификации. Одинаковых функциональных групп в молекуле может быть несколько, и учитель обращается к соответствующей строке таблицы.

Следующая строка отражает классификацию веществ по типу радикала, связанного с функциональной группой. Учитель обращает внимание на то, что в отличие от ароматических альдегидов, кетонов и карбоновых кислот, ароматические спирты выделяют в отдельный класс соединений — фенолы.

Число функциональных групп и строение радикала определяют общую молекулярную формулу веществ. В данной таблице они приведены только для предельных представителей классов с одной функциональной группой.

Все классы соединений, «уместившиеся» в таблицу, являются монофункциональными, то есть содержат только один вид кислородсодержащей функции. Но изученный раздел завершали соединения, в молекулах которых сосуществовало несколько типов функциональных групп. Это бифункциональные соединения — углеводы. Учащиеся вспоминают, что моносахариды по химическому строению относятся к классу альдегидоспиртов или кетоноспиртов.

Для закрепления материала по классификации, а заодно и номенклатуре кислородсодержащих веществ, учитель приводит несколько формул соединений и просит учащихся определить «их место» в приведенной классификации и дать название.

	2-бутеновая кислота,	непредельная
	2,4-диметилфенол,	одноатомный
	пропандионовая кислота,	предельная, двухосновная
	пропиновая кислота,	непредельная, одноосновная
	бутандиол-1,4,	предельный, двухатомный
	1,3-дигидроксибензол,	двухатомный фенол
	3-метилбутаналь.	предельный альдегид
	бутен-3-он-2,	непредельный кетон
	2-метилбутанол-2.	предельный, одноатомный

II. Генетическая связь между различными классами кислородсодержащих соединений

Учитель изображает на доске формулы ряда соединений, содержащих по одному атому углерода:

Почему именно в такой последовательности они изучаются в курсе органической химии? Почему ряд заканчивается неорганическим веществом (углекислым газом)?

Учитель просит ребят рассчитать массовую долю кислорода в четырех последних веществах (можно работать по вариантам) и дополняет запись строчкой:

Очевидно, что массовая доля кислорода в ряду возрастает. А как изменяется степень окисления (СО) атома углерода? Учащиеся диктуют третью строчку:

Теперь становится ясно, что каждое последующее соединение является все более окисленной формой предыдущего. Отсюда очевидно, что продвигаться по генетическому ряду слева направо следует с помощью реакций окисления, а в обратном направлении — с использованием процессов восстановления. Учитель предлагает ребятам записать уравнения реакций, соответствующих переходам по стрелкам:

Не выпадают ли из этого «круга родственников» кетоны? Конечно, нет. Их предшественники — вторичные спирты.

А вот дальше окислить кетон без разрушения углерод-углеродной цепочки нельзя.

Чтобы из рассмотрения не выпадали углеводы, учитель также находит им генетических предшественников. В 1861 г. А. М. Бутлеров осуществил реакцию полимеризации формальдегида в присутствии гидроксида кальция. Продуктом оказалась смесь углеводов, изомерных глюкозе:

Практического применения эта реакция до сих пор не нашла, но она является ярким примером генетической связи между относительно простым кислородсодержащим веществом и природными полифункциональными соединениями сложного строения.

Задания по взаимопревращениям кислородсодержащих веществ ребята в большом количестве выполняли при изучении отдельных классов соединений, поэтому на уроке обобщения желательно преподнести их в несколько необычной форме. В качестве примера даны варианты заданий для общеобразовательного и профильного уровней изучения химии.

1-й уровень. Соединение с молекулярной формулой C₃H₈O подвергли окислительному дегидрированию, в результате чего получили продукт состава C₃H₆O. Это вещество вступает в реакцию «серебряного зеркала», образуя соединение C₃H₆О₂. При действии на последнее гидроксидом кальция получили вещество, используемое в качестве пищевой добавки под кодом Е282. Оно препятствует росту плесени в хлебобулочных и кондитерских изделиях и, кроме того, содержится в таких продуктах, как швейцарский сыр. Определите формулу добавки Е282, напишите уравнения упомянутых реакций и назовите все органические вещества. (Пропионат кальция.)

2-й уровень. Ароматический углеводород состава C₇H₈ подвергли бромированию на свету без катализатора. Образовавшееся дибромпроизводное гидролизовали разбавленным раствором гидроксида натрия. Полученный продукт окислили кислородом воздуха при нагревании. Получили вещество состава С₇Н₆О₂, которое широко распространено в природе. Это соединение используется в пищевой промышленности в качестве добавки Е210. Его добавляют в джемы, фруктовые соки, маринады, йогурты в качестве бактерицидного и противогрибкового средства (консерванта). Определите формулу пищевой добавки Е210, напишите уравнения всех упомянутых реакций и назовите вещества. (Бензойная кислота.)

III. Взаимосвязь строения и свойств кислородсодержащих соединений

Природа функциональной группы оказывает существенное влияние на физические свойства веществ данного класса и во многом определяет его химические свойства.

В понятие «физические свойства» входит агрегатное состояние веществ. Гомологический ряд альдегидов начинается с двух газообразных при комнатной температуре веществ, а среди одноатомных спиртов и карбоновых кислот газов нет. Учитель спрашивает класс, с чем это связано? Молекулы спиртов и кислот дополнительно связаны друг с другом водородными связями. Определение водородной связи довольно путаное, в разных учебниках трактуется по-разному и плохо запоминается учащимися. Учитель просит ребят сформулировать это определение, корректирует его и при необходимости диктует для записи:

Химическая связь между электронодефицитным атомом водорода и электроноизбыточным атомом элемента с большой электроотрицательностью (F, О, N) называется водородной.

Химические свойства каждого класса веществ были подробно рассмотрены на соответствующих уроках. Для обобщения этого материала в профильных классах мы предлагаем проанализировать влияние природы функциональной группы на кислотные свойства вещества.

Учитель просит учащихся расположить фенол, этанол, уксусную кислоту и этаналь в порядке увеличения кислотных свойств. Нужный ряд выстраивается обычно без особых усилий:

Почему альдегид оказался в этом ряду первым, демонстрируя отсутствие кислотных свойств? Кислотой (по Бренстеду) является вещество, способное к отщеплению катиона водорода. В альдегиде все атомы водорода связаны с углеродом. Связь С—H очень мало полярна, ее гетеролитический разрыв требует большой затраты энергии. Кроме того, анион с отрицательным зарядом на углероде не устойчив. Остальные три вещества проявляют кислотные свойства за счет гидроксильной группы —ОН. Легкость отрыва катиона водорода определяется величиной и знаком индуктивного эффекта заместителя, связанного с гидроксилом. Алкильный заместитель в спиртах обладает +I-эффектом, он уменьшает поляризацию связи О—H. Группа атомов СН₃—С=O (она называется ацетил), напротив, обедняет гидроксильную группу электронной плотностью, это облегчает гетеролитический разрыв связи О—Н. Фенильный радикал по своему влиянию на полярность связи в гидроксиле занимает промежуточное положение между алкильным и ацильным заместителем.

Поскольку вопросы сравнения кислотных свойств кислородсодержащих соединений включены в итоговую контрольную работу, учитель должен закрепить этот материал на уроке или в форме домашнего задания.

Задание

Расположите вещества в порядке усиления кислотных свойств. Поясните свой выбор.

1-й уровень

2-й уровень

Этанол, 2,4,6-тринитрофенол, вода, фенол.